數(shù)字信號(hào)處理FSK設(shè)計(jì)任務(wù)書

1、FSK通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 一、 目的通過本課程設(shè)計(jì)使學(xué)生深入理解和掌握FSK通訊系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括基帶信號(hào)形成、調(diào)試、解調(diào)、濾波、傳輸、噪聲對(duì)通信質(zhì)量的影響等。在數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ)上更加深入地掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法。使學(xué)生對(duì)FSK系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的信號(hào)波形及頻譜有深刻的認(rèn)識(shí)。二、 意義通訊技術(shù)的發(fā)展日新月異，本專業(yè)的學(xué)生不但需要掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論，而且還應(yīng)該特別注意實(shí)踐能力的培養(yǎng)。本次設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)生綜合能力的檢驗(yàn)，它涉及三門主干課程，包括通信原理、數(shù)字信號(hào)處理、C語言程序設(shè)計(jì)。通過本次設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生的綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)及軟件設(shè)計(jì)能力也會(huì)有較大的提高。三、 設(shè)計(jì)內(nèi)容本次設(shè)計(jì)的主要

2、內(nèi)容是用軟件模擬FSK系統(tǒng)。原理如下所示：基帶信號(hào)采用雙極性二元碼。基帶信號(hào)經(jīng)過低通濾波后再與載波相乘進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)送入信道傳輸，在傳輸過程中，有用信號(hào)會(huì)受到各種信道噪聲影響，我們用白噪聲模擬信道噪聲。在接收端先經(jīng)過通帶濾波器提取信號(hào)，再采用相干解調(diào)和抽樣判決恢復(fù)基帶信號(hào)。四、 設(shè)計(jì)要求a) 基帶信號(hào)由本人學(xué)號(hào)的最低四位生成，每位學(xué)號(hào)用4位二進(jìn)制表示，共16位。如學(xué)號(hào)為98042099，最低四位為2099，其相應(yīng)的基帶信號(hào)為：0010000010011001，用雙極性二元碼表示為：1111111111111111?；鶐盘?hào)的碼元寬度T1/200s，載波頻率fc為1000hz和200

3、0hz。b) BPF及LPF均采用有限長(zhǎng)濾波器，用頻率采樣法或窗函數(shù)法設(shè)計(jì)，濾波器的階數(shù)可選63、64、127、128。LPF及BPF的特性如下圖：c) 濾波在時(shí)域中用卷積實(shí)現(xiàn)。d) 用C語言或matlab語言實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)，并在屏幕上繪出各點(diǎn)的時(shí)域及頻域圖。e) 實(shí)驗(yàn)不同的噪聲強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)的影響。五、 設(shè)計(jì)步驟a) 設(shè)計(jì)濾波器。b) 繪軟件流程圖。c) 軟件設(shè)計(jì)。d) 軟件調(diào)試。六、 程序流程a) 設(shè)計(jì)LPF、BPF，得到它們的單位沖激響應(yīng)h1(n)及h2(n)。畫出它們的時(shí)域圖及頻率特性。b) 由學(xué)號(hào)的最低四位產(chǎn)生相應(yīng)的基帶信號(hào)，以fs對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行抽樣，每個(gè)碼元用fsT個(gè)采樣點(diǎn)表示，產(chǎn)生離散

4、的基帶信號(hào)s(n)，畫出s(n)的時(shí)域圖及頻譜。c) 基帶信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾波后的信號(hào)b(n)=s(n)*h1(n)。畫出b(n)的時(shí)域圖及頻譜。注意：濾波后信號(hào)的長(zhǎng)度為NM1，M為輸入信號(hào)的長(zhǎng)度，N為濾波器的長(zhǎng)度，為了消除濾波器延時(shí)特性的影響，可以去掉濾波后的序列的前(N1)/2點(diǎn)和最后的(N1)/2點(diǎn)，這樣濾波后的序列長(zhǎng)度仍然為M。后面的濾波也照此處理。d) 對(duì)b(n)進(jìn)行調(diào)制得到c(n)，c(n)=b(n)cos(2fcn/fs)，fs為抽樣頻率。畫出c(n)的時(shí)域圖及頻譜。e) 對(duì)b(n)疊加白噪聲得到d(n)，d(n)=c(n)+N(n)，N(n)為白噪聲。畫出d(n)的時(shí)域圖及頻

5、譜。f) 對(duì)d(n)進(jìn)行帶通濾波得到e(n)，e(n)=d(n)*h2，畫出e(n)的時(shí)域圖及頻譜。g) 對(duì)e(n)進(jìn)行相干解調(diào)得到f(n)，f(n)=e(n)cos(2fcn/fs)，畫出f(n)的時(shí)域圖及頻譜。h) 對(duì)f(n)進(jìn)行低通濾波，濾波后的信號(hào)g(n)=f(n)*h1(n)。畫出g(n)的時(shí)域圖及頻譜。i) 對(duì)g(n)進(jìn)行判決得到基帶信號(hào)s1(n)，畫出s1(n)的時(shí)域圖并且與s(n)作比較。七、 源程序八、 附加題a) 改變?yōu)V波器帶寬，觀察各個(gè)點(diǎn)的信號(hào)波形有何變化，從理論上解釋觀察到的現(xiàn)象。為了避免碼元干擾，濾波器應(yīng)該具有什么特性?b) 噪聲強(qiáng)度多大時(shí)有誤判決？與理論推導(dǎo)的結(jié)果比

6、較。c) 不同的抽樣頻率fs對(duì)系統(tǒng)有何影響？d) 濾波器采用不同的階數(shù)對(duì)系統(tǒng)有何影響？e) 用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)濾波器，采用不同的抽樣位置對(duì)系統(tǒng)的性能有何影響？如何確定最佳抽樣位置？f) 在判決前要進(jìn)行抽樣，不同的抽樣位置對(duì)系統(tǒng)的性能有何影響？如何確定最佳抽樣位置？g) 考察加上糾錯(cuò)編碼（如漢明碼、BCH碼）后對(duì)通訊可靠性有什么影響？h) 選用不同的基帶波形（如三角波、升余弦波）對(duì)系統(tǒng)有何影響？i) 如果把2ASK改為4ASK（即基帶信號(hào)用4進(jìn)制表示），程序應(yīng)該如何修改？判決規(guī)則是什么？結(jié)構(gòu)如何？%繪制基帶信號(hào)0806S=ones(1,200);T=-S,-S,-S,-S, -S,S,S,S S,-

7、S,-S,S, -S,S,-S,S;Tf=abs(fft(T);figure;subplot(2,1,1);plot(T);title('T(n)');%基帶信號(hào)時(shí)域圖像axis(0 3200 -1.5 1.5);subplot(2,1,2);plot(Tf);title('T(f)');%基帶信號(hào)頻域圖像%LPF低通濾波器設(shè)計(jì)N=127;f1=100; f0=300;fc=1000;fs=8000;w1=(2*f1)/fs;w0=(2*f0)/fs;wL=0 w1 w0 1;mL=1 1 0 0;h1=fir2(N,wL,mL);H1,f=freqz(h1,1

8、,1024,fs);figure;subplot(2,1,1);plot(h1);title('LPF:h1(n)');subplot(2,1,2);plot(f,abs(H1);title('H1(f)');%設(shè)計(jì)帶通濾波器（BPF）w0l=(2*(fc-f0)/fs;w1l=(2*(fc-f1)/fs;w1r=(2*(fc+f1)/fs;w0r=(2*(fc+f0)/fs;fB=0 w0l w1l w1r w0r 1;mB=0 0 1 1 0 0;h2=fir2(N,fB,mB);H2,f=freqz(h2,1,1024,fs);figure;subplot

9、(2,1,1);plot(h2);title('BPF:h2(n)');subplot(2,1,2);plot(f,abs(H2);title('H2(f)');%基帶信號(hào)進(jìn)行低通濾波b=conv(T,h1);Bf=abs(fft(b);figure;subplot(2,1,1);plot(b);title('b(n)');subplot(2,1,2);plot(Bf);title('B(f)');%用濾波后的信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制n=0:3199;wc=(2*pi*fc)/fs; %數(shù)字角頻率（模擬角頻率/抽樣頻率）y=cos(wc

10、*n);Yf=abs(fft(y);figure;subplot(3,1,1);plot(n,y);title('y=cos(2*pi*fc/fs)*n)');subplot(3,1,2);plot(n,y);axis(0 150 -1.5 1.5);subplot(3,1,3);plot(Yf);title('Y(f)');b2=b(63:3262);c=b2.*y; figure;subplot(2,1,1);plot(c);title('c(n)');subplot(2,1,2);Cf=abs(fft(c);plot(Cf);title(&

11、#39;C(f)');%向已調(diào)信號(hào)中加入白噪聲Noisy=1*rand(size(c);d=c+Noisy;figure;subplot(2,1,1);plot(d);title('d(n)');subplot(2,1,2);Df=abs(fft(d);plot(Df);title('D(f)');%加入白噪聲后的信號(hào)通過帶通濾波器e=conv(d,h2); figure;subplot(2,1,1);plot(e);title('e(n)');subplot(2,1,2);Ef=abs(fft(e);plot(Ef);title(

12、9;E(f)');axis(0 3300 0 600);%用相干法進(jìn)行解調(diào)（y=cos(wc*n)）e2=e(63:3262);%e2=e(127:3326);n=0:3199;f=e2.*y; figure;subplot(2,1,1);plot(f);title('f(n)');subplot(2,1,2);Hf=abs(fft(f);plot(Hf);title('F(f)');%解調(diào)后信號(hào)通過低通濾波器g=conv(f,h1); g2=g(63:3262);%g2=g(127:3326);figure;subplot(2,1,1);plot(g2

13、);title('g(n)');subplot(2,1,2);Gf=abs(fft(g2);plot(Gf);title('G(f)');%判決恢復(fù)后的基帶信號(hào)波形for p=1:32 sum=0; for q=1:200 sum=sum+g2(p-1)*200+q); end if sum>0 R(p)=1; else R(p)=-1; endendfor i=1:32 if R(i)=1 for j=1:200 K(i-1)*200+j)=1; end else for j=1:200 K(i-1)*200+j)=-1; end endendfigur

14、e;subplot(2,1,1);plot(R);axis(0 32 -2.5 -2.5);subplot(2,1,2);plot(K); title('s1(n)');axis(0 3200 -2.5 -2.5);1繪制基帶信號(hào)0795S=ones(1,200);T=-S,-S,-S,-S, -S,S,S,S S,-S,-S,S, -S,S,-S,S;Tf=abs(fft(T);figure;subplot(2,1,1);plot(T);title('基帶信號(hào)時(shí)域波形');axis(0 3200 -1.5 1.5);subplot(2,1,2);plot(Tf

15、); title('基帶信號(hào)頻域波形'); axis(-50,3250,0,1600);2.低通濾波fs1=3150; wp=100*2*pi/fs1; ws=300*2*pi/fs1; wd=ws-wp; N=ceil(8*pi/wd); wn=(ws+wp)/2; b1=fir1(N,wn/pi,hamming (N+1); figure(2); subplot(2,1,1); freqz(b1,1,1024); title('低通濾波器的數(shù)字頻率相應(yīng)'); subplot(2,1,2); stem(b1,'.'); axis(0,65,-0

16、.05,0.15); title('低通濾波器的單位沖擊相應(yīng)');3.基帶信號(hào)經(jīng)過低通濾波后的時(shí)域頻域圖figure(3); T1=conv(T,b1); T2=T1(32:3231); subplot(2,1,1); plot(T2); title('經(jīng)過低通濾波器后的時(shí)域波形'); subplot(2,1,2); plot(abs(fft(T2); axis(-55,3255,0,1520); title('經(jīng)過低通濾波器后的頻域波形');4.載波調(diào)制n=0:3199; carrier=cos(2*pi*0.05*n);T3=T2.*carr

17、ier; figure(4); subplot(2,1,1); plot(T3); axis(0,3200,-1.5,1.5); title('調(diào)制后的時(shí)域波形'); subplot(2,1,2); plot(abs(fft(T3); axis(0,3220,0,700); title('調(diào)制后的頻域波形');5.加噪聲T4=T3+0.3*randn(1,3200);figure(5);subplot(2,1,1);plot(T4);title('加噪聲后的時(shí)域波形');subplot(2,1,2);plot(abs(fft(T4);title(

18、'噪聲后的頻域波形');6.帶通濾波fs2=20000;wp=2*800/fs2 2*1200/fs2;M=127;b2=fir1(2*M,wp);figure(6);subplot(2,1,1);freqz(b2,1,1024);title('帶通濾波器的數(shù)字頻率相應(yīng)');subplot(2,1,2);stem(b2,'.')axis(0 280 -0.06 0.06)title('帶通濾波器的時(shí)域相應(yīng)');T5=conv(T4,b2);T6=T5(128:3327);figure(7)subplot(2,1,1);plot(T

19、6);title('通過帶通濾波器后的時(shí)域波形');subplot(2,1,2);plot(abs(fft(T6);title('通過帶通濾波器后的頻域波形');7.解調(diào)T7=T6.*carrier;figure(8);subplot(2,1,1);plot(T7);title('解調(diào)后的時(shí)域波形');subplot(2,1,2);plot(abs(fft(T7);axis(-55 3255 -20 360)title('解調(diào)后的頻域波形');8.再次經(jīng)過低通濾波T8=filter(b1,1,T7);figure(9);subpl

20、ot(2,1,1);plot(T8);title('再經(jīng)過低通濾波器后的時(shí)域波形');subplot(2,1,2);plot(abs(fft(T8);axis(-55 3250 -20 360)title('再經(jīng)過低通濾波器后的頻域波形');9.判決、信號(hào)恢復(fù)for p=1:16 sum=0; for q=1:200 sum=sum+T8(p-1)*200+q); end if sum>0 R(p)=1; else R(p)=-1; endendfigure(10);subplot(2,1,1);stem(R,'.');axis(1 18

21、-1.5 1.5);title('抽樣判決后的時(shí)域波形');subplot(2,1,2);stem(abs(fft(R),'*');axis(1 18 1 8);title('抽樣判決后的頻域波形');for i=1:16 if R(i)=1; for j=1:200 Y(i-1)*200+j)=1; end else for j=1:200 Y(i-1)*200+j)=-1; end endendfigure(11);subplot(2,1,1);plot(Y);axis(-10 3250 -1.5 1.5);title('信號(hào)還原后的時(shí)域波形');subplot(2,1,2);plot(abs(